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通过钝体流的可视化

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流体运动由于其控制规律的非线性性质, 导致了复杂的流型。这些流动模式受许多因素的影响, 其中之一是流过一个障碍, 如一个钝体。一个钝体是一个物体, 由于其形状, 导致其表面的分离流动。根据流动条件, 这种流动可能会变得不稳定, 在尾流中产生振荡流动模式, 称为旋涡脱落。该视频将介绍由钝体造成的流动分离和旋涡脱落的基本知识, 并演示用于可视化产生的流模式的技术。

首先, 让我们来考虑流速 U 无穷大的水的均匀稳定流动, 称为自由流速接近圆柱体。边界层在物体表面的分离导致形成漩涡围绕身体, 最终分离到尾迹。当周期性的脱离发生时, 漩涡产生在身体后面的低压交替区域。这个过程被称为冯卡门涡街。这种重复模式发生在一定范围的雷诺数, 一个无量纲参数定义为惯性力与粘性力的比值。在这里, 怒江是流体的运动粘度, V 是特征速度或 U 无穷大在这种情况下, D 是圆筒直径。例如, 在以下演示中的设置中, 当雷诺数为五左右时, 该流在气缸后面有两个稳定的计数器旋转涡旋。随着雷诺数的增加, 这些涡旋沿着流动的方向拉长。当雷诺数达到大约37时, 由于压力和动量之间的不平衡, 尾迹变得不稳定并且振荡正弦。旋涡从气缸中脱落的频率不是恒定的, 而是随雷诺数的值而变化的。这种脱落频率的特点是两相数, 这是另一个无量纲参数。两相数定义为 f 是旋涡脱落频率。流态的实验分析使用四种类型的流线。路径线是给定流体粒子随水流移动而跟随的路径。条纹线是所有流体粒子的连续轨迹, 其运动来源于同一位置。流线是一条假想的线, 它瞬时地与速度场相切。请注意, 路径线、条纹线和流线在稳定的流动条件下相互重合。在当前流动, 这对应于流动的区域从钝体或从它的苏醒的影响足够远。另一方面, 在非恒定流动条件下, 路径线、条纹线和流线不同。在当前流中, 这基本上对应于钝体的尾迹。最后, 时间线是流体粒子的连续轨迹, 在同一时刻被释放到流中。在下面的实验中, 我们将使用一张连续的微小氢气泡来分析使用时间线和条纹线的流动模式。现在, 让我们来看看如何设置流实验。

首先, 根据所示的电气图装配设备。在试验段下游端的水中固定正极。接下来, 将负极固定在上游。这应该是在水流到达研究对象之前, 气泡被释放到流中的点附近。打开流程设备。然后将频率控制器的刻度盘设置为两个位置, 以建立平均每秒0.04 米的平均速度。此速度对应于每秒50到负第五立方米的流速。现在打开直流电源, 将电压增加到大约25伏, 电流约190毫安。在信号发生器上, 将输出设置为一个零伏的方波, 并在其高位置关闭电路, 并在低位置打开它的五伏方波信号。将直流偏移量最大化至五伏, 使电路始终闭合, 系统连续生成气泡。若要生成时间线, 请将信号发生器中的 DC 偏移量更改为一伏。然后将方波的频率设置为10赫兹。时间线将在流程中产生。然后将方波的对称性设置为负两个, 以增加时间线之间的空间。

首先用 SI 单位的卡尺测量杆的直径。固定负极的圆柱形杆的下游。将高光投射到氢泡层上, 确保光线不直接落在视线后面, 以防止成像系统的过度饱和。将可视化系统与标尺对齐, 以便在照相机前面仅显示圆形尖。在可视化窗口和杆的下游添加一个标记, 以使用它作为参考点来计算涡脱落循环。

首先测量在气泡片上由标尺投射的阴影的宽度。在杆上进行测量, 避免距离失真。使用标尺直径确定转换因素从机器单位到现实世界单位。接下来, 选择一组几乎不失真的时间线远离钝体和其唤醒的影响。测量机器单位中第一个和最后一个时间线之间的距离。计算组中的时间线数, 并记下方波的频率。从下面的等式中确定接近的流速。现在利用水的运动粘度, 计算雷诺数。接下来, 通过观察杆尾的涡旋来确定两相数。请注意, 与自由流中的时间线相比, 涡旋的运动速度是不同的。使用固定的字符串作为参考, 计算涡脱落循环的次数, NS, 在定义的时间段内越过参考点。计算脱落频率。然后使用结果计算两相数。

现在我们已经进行了程序和分析, 让我们来看看结果。使用雷诺数与两相数之间的关系可以确定结果的有效性。系数 St * 和 m 取决于雷诺数范围, 可以在文献中找到。这个例子中的雷诺数是115。因此, St * 和 m 的值可以用来计算两相数。两相数的计算值为 0.172, 这与实测值0.169 有很好的关联。当实验采用不同的操作参数进行时, 雷诺和两相数的计算与两个数之间的数学关系很好地相关。这显示了气泡法如何能很好地用来理解钝体周围的流动模式。

了解流模式对于许多类型的工程应用的设计和运行是必不可少的。桥梁和近海石油钻井平台的支柱是设计来抵御水流流过结构时所造成的湍流。了解某一给定结构的旋涡脱落频率对其设计至关重要。在这方面, 工程师必须确保结构的固有频率不是这样, 它会与旋涡脱落频率共振, 因为这将不可避免地导致结构的灾难性故障。研究流线型物体 (如空气箔或船体) 周围的流体流动也是必不可少的。通过利用流线, 工程师可以确定参数, 如飞机失速的角度, 甚至估计基于流速的升力特性。

你刚刚看了朱庇特的视频在一个钝体周围的可视化流线。你现在应该了解流体流动模式和冯卡门涡街的基础知识, 如何建立一个实验来可视化这些流动模式, 以及如何研究流动行为。谢谢收看

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